Η ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΥΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΒΙΩΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΟ ΓΕΝΙΚΟ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥΠΟΛΗΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Η ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΥΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΒΙΩΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΟ ΓΕΝΙΚΟ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥΠΟΛΗΣ Δήμητρα Ξ. Πανονίδου Διπλωματούχος Μηχανικός Παραγωγής και Διοίκησης Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Θεόκλητος Σ. Καρακατσάνης Δρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, Επίκουρος Καθηγητής ΔΠΘ Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Περίληψη Η Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ) αποτελεί μια τεχνολογία γνωστή ήδη από τις αρχές του αιώνα μας. Με τη χρήση συστημάτων Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας καθίσταται δυνατή η ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από μία μόνο ενεργειακή πηγή, οδηγώντας σε σημαντικά ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας με επακόλουθη μείωση του ενεργειακού κόστους και των εκπεμπόμενων ρύπων, συμβάλλοντας έτσι στην «αειφόρο ανάπτυξη». Η εφαρμογή της ΣΗΘ στον κτιριακό τομέα, και πιο συγκεκριμένα στα νοσοκομεία, αποδεικνύεται ιδιαίτερα συμφέρουσα. Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται στοιχεία από τη Μελέτη Βιωσιμότητας για

2 18 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ την εγκατάσταση μονάδας Συμπαραγωγής Ενέργειας στο Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Αλεξανδρούπολης. Αρχικά περιγράφονται τα βασικά τεχνικά συστήματα της συμπαραγωγής, οι τρόποι λειτουργίας τους και οι σύγχρονες τεχνικές για υψηλή απόδοση καθώς και τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της ΣΗΘ στον τομέα της Υγείας. Στη συνέχεια, μελετάται η συγκεκριμένη εφαρμογή αφού προηγηθεί ο υπολογισμός των ενεργειακών αναγκών του Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης σε θερμότητα και ηλεκτρισμό. Πραγματοποιείται η επιλογή και η διαστασιολόγηση μιας κύριας και μιας εφεδρικής μονάδας Συμπαραγωγής με σκοπό την κάλυψη του θερμικού φορτίου και μέρους της κατανάλωσης σε ηλεκτρισμό. Εξετάζονται δύο εναλλακτικά σενάρια με τρεις διαφορετικές υποπεριπτώσεις ωρών λειτουργίας ανά έτος για την κύρια και την εφεδρική μονάδα και υπολογίζεται το ενεργειακό κόστος λειτουργίας, η εκπομπή ρύπων και η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας για το κάθε ένα από αυτά. Τέλος κατά την οικονομική αξιολόγηση των σεναρίων τόσο σε σχέση με τη συμβατική λύση (παρούσα κατάσταση) όσο και μεταξύ τους υπολογίζονται τα τέσσερα βασικά κριτήρια αξιολόγησης επενδύσεων και επιλέγεται το σενάριο που αποφέρει το μεγαλύτερο όφελος βάσει συγκεκριμένων οικονομικών και περιβαλλοντολογικών παραμέτρων. Συμπερασματικά, η επένδυση κρίνεται ιδιαίτερα οικονομικά βιώσιμη και συντελεί στην πλήρη αξιοποίηση των πόρων του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης. 1. Εισαγωγή 1.1 Η Έννοια της Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) Η ΣΗΘ δεν αποτελεί μια συγκεκριμένη τεχνολογία, αλλά περισσότερο μια εφαρμογή τεχνολογιών για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης ή/και ψύξης, καθώς και μηχανικής ή/και ηλεκτρικής ενέργειας των τελικών χρηστών. Ο πληρέστερος ορισμός της συμπαραγωγής, είναι: Συμπαραγωγή (συνδυασμένη παραγωγή) Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ). Με άλλα λόγια, τα Συστήματα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας αφορούν σε τεχνολογίες για την «ταυτόχρονη παραγωγή εκμεταλλεύσιμης και αξιοποιήσιμης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για θέρμανση όσο και για ψύξη ή και κλιματισμό), από την ίδια ενεργειακή πηγή, με σκοπό

3 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος τη μεγιστοποίηση του οφέλους που προκύπτει από τη συμπαραγωγή». [1] Ένα σύστημα συμπαραγωγής αποτελείται κυρίως από τέσσερα στοιχεία: ü Τον κινητήρα (prime mover): ατμοστρόβιλος, αεριοστρόβιλος, παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης, συνδυασμένου κύκλου, κυψέλες καυσίμου, μηχανή Stirling ή micro-turbine. Ο κινητήρας κινεί τη γεννήτρια. ü Το σύστημα ανάκτησης θερμότητας : σύστημα που ανακτά την απορριπτόμενη θερμότητα από τα ρευστά που έχουν σχέση με τη λειτουργία της μηχανής (με εναλλάκτες ανάκτησης θερμότητας) και από τα καυσαέρια (με λέβητα ανάκτησης θερμότητας που αποκαλείται και λέβητας καυσαερίων). ü Τη γεννήτρια: σύγχρονη, ασύγχρονη ή αυτοδιεγειρόμενη ασύγχρονη. Παράγει την ηλεκτρική ενέργεια. ü Το σύστημα ελέγχου: μέσω αυτού διασφαλίζεται η ασφαλής και ικανοποιητική λειτουργία του συστήματος συμπαραγωγής. Συνεπώς, ένα τέτοιο σύστημα απαιτεί λιγότερη πρωτογενή ενέργεια από ένα σύστημα ξεχωριστής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Στα συστήματα ΣΗΘ ο βαθμός απόδοσης φτάνει το 80-85%, με δυνατότητες να φτάσει ή ακόμη και να ξεπεράσει και το 90%. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας κατά 15-40% σε σύγκριση με τους συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, λόγω της αξιοποίησης μεγάλων ποσών θερμότητας που, διαφορετικά, θα αποβαλλόταν στο περιβάλλον υπό μορφή απωλειών ενέργειας (βλ Σχήμα 1). Σχήμα 1: Συμβατικό ενεργειακό σύστημα vs. ΣΗΘ

4 20 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ως ενεργειακή πηγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε καύσιμο. Σήμερα ωστόσο, και στα πλαίσια της προσπάθειας εξοικονόμησης ενέργειας, φυσικών πόρων και προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), κρίνεται αποδοτικότερη και συμφέρουσα η χρήση καυσίμων, όπως η Βιομάζα και το Φυσικό Αέριο, που είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον. [6] 1.2 Τρόποι λειτουργίας των συστημάτων ΣΗΘ Οι κυριότεροι τρόποι λειτουργίας ενός συστήματος συμπαραγωγής, δηλαδή οι τρόποι ρύθμισης της ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος σε κάθε χρονική στιγμή, είναι τρεις: ü Παραγωγή θερμότητας ίσης με το θερμικό φορτίο «heat match»: Εάν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια περισσότερη από το φορτίο, η περίσσεια πωλείται στο εθνικό δίκτυο. Εάν η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι μικρότερη από το φορτίο, το έλλειμμα συμπληρώνεται εξολοκλήρου από το δίκτυο παραγωγής. ü Παραγωγή ηλεκτρισμού ίσου με το ηλεκτρικό φορτίο «electricity match»: Εάν χρειαστεί, τοποθετείται βοηθητικός λέβητας που συμπληρώνει τις πρόσθετες ανάγκες σε θερμότητα. Επίσης, καθίσταται απαραίτητη η εγκατάσταση ψυγείων ικανών να αποβάλλουν την περίσσεια θερμότητα, εάν προκύψει ανάγκη. ü Μικτός τρόπος: δηλαδή παρακολούθηση άλλοτε του θερμικού (1ος τρόπος) και άλλοτε του ηλεκτρικού φορτίου (2ος τρόπος). ü Αυτόνομη Λειτουργία: πλήρης κάλυψη του θερμικού και ηλεκτρικού φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή, χωρίς σύνδεση με το εθνικό δίκτυο. Αυτός ο τρόπος απαιτεί περίπλοκο σύστημα συμπαραγωγής, λόγω επαρκούς εφεδρείας, γεγονός που την καθιστά την πιο ακριβή λύση από πλευράς αρχικού κόστους, ειδικά με αέρια καύσιμα, για λόγους από άπτονται καθαρά των δυνατοτήτων του εξοπλισμού. 1 Η επιλογή του τρόπου λειτουργίας εξαρτάται από τις ευρύτερες ανάγκες του δικτύου, τις διαθέσιμες μονάδες και τις υποχρεώσεις απέναντι στους καταναλωτές ηλεκτρισμού και θερμότητας. Γενικά, όμως, ο 1ος από τους τρόπους λειτουργίας είναι αυτός που προσφέρει την υψηλότερη ενεργειακή και οικονομική απόδοση για συστήματα ΣΗΘ τόσο στον βιομηχανικό όσο και τον εμπορικό-κτιριακό τομέα. [2] [8] 2

5 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Σύγχρονες Τεχνικές και Τομείς Εφαρμογής της ΣΗΘ Με βασικό, αλλά και ταυτόχρονα πολύ γενικό κριτήριο την προτεραιότητα που δίνεται στην παραγωγή της ηλεκτρικής ή της θερμικής ενέργειας σε ένα σύστημα συμπαραγωγής, υπάρχουν δύο γενικοί χαρακτηρισμοί: α) τα συστήματα «κορυφής» (topping systems) και β)τα συστήματα «βάσης» (bottoming systems) 3. Επιγραμματικά, τα πιο διαδεδομένα και ευρέως εφαρμόσιμα συστήματα συμπαραγωγής είναι: * Συστήματα ατμοστροβίλων (απομάστευσης, αντίθλιψης ή σε κύκλο βάσης). * Συστήματα αεριοστροβίλων ανοιχτού και κλειστού κύκλου. * Συστήματα με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης. * Συστήματα συνδυασμένου κύκλου. * Κύκλοι βάσης Rankine με οργανικά ρευστά. * Κυψέλες καυσίμου (fuel cells). * Λέβητες Ανακομιδής Θερμότητας (ΛΑΘ). * Μηχανές Striling, και * Τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής-«πακέτα». [2] [4] 4 Τέλος, υπάρχουν τέσσερις κύριοι τομείς εφαρμογής της συμπαραγωγής: * Βιομηχανικός τομέας (βιομηχανίες τροφίμων και ποτών, βιομηχανίες χάρτου, κλωστοϋφαντουργίες, εργοστάσια τσιμέντου κ.α.). * Εμπορικός-κτιριακός τομέας (νοσοκομεία και ξενοδοχεία, πολυκατοικίες, κτίρια γραφείων, εμπορικά κέντρα). * Σύστημα Ηλεκτρισμού της χώρας (ΔΕΗ). *Αγροτικός τομέας (εκμετάλλευση των υπολειμμάτων από τις αγροτικές διεργασίες). [2] 1.4 Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης ΣΗΘΥΑ Με τον νόμο 34/69/2006 για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ ή Συμπαραγωγή, διατυπώνεται νέος ορισμός για τις μονάδες ΣΗΘ Υψηλής Απόδοσης (ΣΗΘΥΑ). Ως ΣΗΘΥΑ χαρακτηρίζεται η συμπαραγωγή που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογε-

6 22 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ νούς ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 10%, σε σχέση με τη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στο πλαίσιο διακριτών διαδικασιών. Ο υπολογισμός της εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας, γίνεται σύμφωνα με υπολογισμούς στις κατάλληλες παραγράφους του νόμου. Σημειώνεται ότι το κριτήριο χαρακτηρισμού είναι πολύ σημαντικό από πλευράς αξιολόγησης της οικονομικής βιωσιμότητας της συμπαραγωγής. Με αυτό κρίνεται κατά πόσο μία μονάδα συμπαραγωγής θα υπαχθεί στις ευεργετικές διατάξεις του νόμου και θα δικαιούται να διαθέτει την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ή το πλεόνασμά της στο δίκτυο της ΔΕΗ, με βάση προκαθορισμένες τιμές οι οποίες προβλέπονται από τον νόμο. [3] [9] 2. Η Συμπαραγωγή στα Νοσοκομεία Ευνοϊκή είναι η εφαρμογή της συμπαραγωγής στα νοσοκομεία καθώς λειτουργούν καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας ολόκληρο τον χρόνο και έχουν βασικά φορτία ηλεκτρισμού και θερμότητας. Είναι επομένως καταναλωτές μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας καλύπτει φορτία, όπως: θέρμανση, ζεστό νερό, θερμικό φορτίο για την κουζίνα, θερμικό φορτίο για τα πλυντήρια, ατμός, αποστείρωση, απολύμανση. Σχήμα 2. Απεικόνιση του τρόπου κατανομής της ενεργειακής κατανάλωσης, ανάλογα με τις κύριες καταναλώσεις σε ένα νοσοκομείο (Η έντονη γραμμή διαχωρίζει την ηλεκτρική από τη θερμική ενέργεια).

7 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτει φορτία, όπως: φωτισμός, κλιματισμός, ανελκυστήρες, σταθερός και φορητός ιατρικός εξοπλισμός, ηλεκτρικές παροχές για Η/Υ, ηλεκτρικό φορτίο για την κουζίνα και ηλεκτρικό φορτίο για τα πλυντήρια. Οι απαιτήσεις σε ενέργεια καλύπτονται με συμβατικό τρόπο, δηλαδή οι λέβητες που βρίσκονται στο χώρο του κτιρίου παρέχουν τη θερμική ενέργεια, ενώ η ηλεκτρική ενέργεια αγοράζεται από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και φτάνει σε αυτά μέσω του δικτύου μεταφοράς και διανομής. Ο τρόπος με τον οποίο κατανέμεται η ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, στις διάφορες καταναλώσεις παρουσιάζεται στο Σχήμα Πλεονεκτήματα ΣΗΘ στα Νοσοκομεία Με την εφαρμογή της συμπαραγωγής στoν τομέα της υγείας, παρέχονται στα νοσοκομεία τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Εξοικονόμηση οικονομικών πόρων με ουσιαστική μείωση του κόστους. Έχει παρατηρηθεί σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, που ήδη έχουν βάλει σε εφαρμογή τη συμπαραγωγή, ότι οι δαπάνες για την εξασφάλιση της ηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να μειωθούν ως και 30%. Ωστόσο, τα παραπάνω οικονομικά οφέλη πρέπει να αντισταθμιστούν από το κόστος της εγκατάστασης της μονάδας. Καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών και αυξημένη αξιοπιστία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στα διασυνδεδεμένα και όχι αυτόνομα συστήματα. Η ενεργειακή αποδοτικότητα αποτελεί σημαντική απαίτηση, παρά την αυξημένη προτεραιότητα που έχουν οι ιατρικές απαιτήσεις. 6 Αύξηση των επενδύσεων στον τομέα της υγείας. 7 Πριβαλλοντικά πλεονεκτήματα: Η συμπαραγωγή προωθεί ένα πιο υγιές περιβάλλον μειώνοντας σημαντικά τις εκπομπές των ρύπων σε εθνικό επίπεδο, σε σχέση με τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής, αυξάνοντας τον βαθμό απόδοσης του συστήματος. (Σχήμα 3). [5]

8 24 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Σχήμα 3. Εκπομπή ρύπων συναρτήσει του βαθμού απόδοσης των συστημάτων 3.Μελέτη Συστήματος Συμπαραγωγής του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης (ΠΓΝΑ) 3.1 Χαρακτηριστικά του ΠΓΝΑ Το Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Αλεξανδρούπολης ιδρύθηκε το έτος 1939 με την ονομασία «Κρατικό Νοσοκομείο Αλεξανδρούπολης» και αποτέλεσε τον πρώτο «οργανισμό» που δημοσιεύθηκε στην ΕτΚ στο ΦΕΚ.344/ , τεύχος Α. Αποτελεί μία αποκεντρωμένη υπηρεσιακή μονάδα της 4ης Διοικητικής Υγειονομικής Περιφέρειας (Δ.Υ.ΠΕ) Μακεδονίας και Θράκης, με διοικητική και οικονομική αυτοτέλεια, υπόκειται δε στην εποπτεία του Υπουργού Υγείας και Πρόνοιας (Εικόνα). Το ΠΓΝΑ λειτουργεί σε σύγχρονο κτιριακό συγκρότημα συνολικού εμβαδού m2 με δόμηση σε 6 ορόφους, δομημένο όγκο m3, εντός οικοπέδου έκτασης m2 με κάλυψη m2. Είναι δυναμικότητας 671 κλινών. Ανεπτυγμένες εξ αυτών είναι οι 554 και απασχολεί περίπου 1300 άτομα προσωπικό. [10]

9 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Στοιχεία ενεργειακών καταναλώσεων Οι μορφές ενέργειας που καταναλώνονται στο ΠΓΝΑ είναι θερμική και ηλεκτρική. Η θερμική ενέργεια προέρχεται μέχρι σήμερα κατά κύριο λόγο από την καύση diesel σε τρεις λέβητες και δευτερευόντως από την καύση υγραερίου που προμηθεύεται το Νοσοκομείο από ιδιωτική εταιρεία. Η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από το δίκτυο της ΔΕΗ μέσω ενός υποσταθμού μέσης τάσης. 8 Ως «συμβατική λύση» καλείται η κάλυψη των ηλεκτρικών φορτίων από δίκτυο της ΔΕΗ και η κάλυψη των θερμικών μέσω της καύσης κάποιου καυσίμου στους λέβητες. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης θεωρείται ότι στη συμβατική λύση τα θερμικά φορτία του νοσοκομείου καλύπτονται αποκλειστικά από την καύση diesel. Το απαιτούμενο θερμικό και ηλεκτρικό φορτίο ανέρχεται στις MWh και MWhe ετησίως, αντίστοιχα. Συγκεντρωτικά, το προφίλ των θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων ανά μήνα από τον Δεκέμβριο του 2007 μέχρι τον Νοέμβριο του 2008 παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 1. Η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας Ε (ΜWh) στη συμβατική περίπτωση, προκύπτει από το άθροισμα της ενέργειας λόγω κατανάλωσης καυσίμου Eth στους λέβητες του Νοσοκομείου ( ΜWhth) συνολικού βαθμού απόδοσης της εγκατάστασης περίπου 80% (θεωρώντας απόδοση λεβήτων 85% και βαθμό διανομής 95%) και της πρωτογενούς ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ee από τους κεντρικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ( ΜWhe), θεωρώντας ότι ο μέσος βαθμός απόδοσης του δικτύου είναι 40%. Συνεπώς, η συνολική ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας ανέρχεται στις ΜWh. Διάγραμμα 1: Μηνιαίο προφίλ της καταναλωθείσας ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας του ΠΓΝA (συμβατική λύση).

10 26 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Το ετήσιο κόστος ενέργειας και συντήρησης για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του Νοσοκομείου ανέρχεται στα Στο Διάγραμμα 2 δίνεται α) το συνολικό μηνιαίο προφίλ του ενεργειακού κόστους για το έτος 2008, και β) αναλύεται η ετήσια κατανομή του κόστους κάλυψης των ενεργειακών αναγκών του Νοσοκομείου, εκφρασμένη σε ποσοστά %. Τέλος, οι συνολικές ετήσιες εκπομπές αερίων ρύπων, όπως εκτιμήθηκαν με βάση τις ετήσιες καταναλώσεις ηλεκτρισμού (0,85ton CO2/MWh, 15,4kg/MWh για τον συνδυασμό μικτού καυσίμου στο ελληνικό σύστημα παραγωγής της ΔΕΗ) και πετρελαίου στους λέβητες είναι αρκετά υψηλές, ιδίως αυτές του CO2 ( ton/έτος) και του SO2 (172,2 ton/έτος). Διάγραμμα 2: α) Μηνιαίο ενεργειακό κόστος β) Κατανομή κόστους ενέργειας (συμβατική λύση). 3.3 Διαδικασία επιλογής συστήματος ΣΗΘ Η διαδικασία επιλογής κατάλληλου συστήματος συμπαραγωγής για τη συγκεκριμένη εφαρμογή στο Π.Γ.Νοσοκομείο Αλεξανδρούπολης είναι περίπλοκη και επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες. Τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία μεταβάλλονται με τον χρόνο ποσοτικά (ισχύς) και ποιοτικά (π.χ. πίεση και θερμοκρασία του εργαζόμενου μέσου). Επιπρόσθετα, παρατηρείται μεταβολή ορισμένων οικονομικών μεγεθών, όπως η τιμή αγοράς και πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας από τη ΔΕΗ., η τιμή του καυσίμου, κλπ. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί πως οι αεριομηχανές προτιμάται να μην εργάζονται συνεχώς στο 100% της ονομαστικής τους ισχύος. Υπάρχουν 2 κύριες διαδικασίες επιλογής και διαστασιολόγησης ενός συστήματος Συμπαραγωγής.

11 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Η μέθοδος του λόγου ηλεκτρισμού προς θερμότητα (PHR) περιλαμβάνει την καταγραφή των συνολικών ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων όπως αυτά προκύπτουν από την ισχύ του εγκατεστημένου εξοπλισμού (φωτισμός, συσκευές, υπολογιστές, κα.), και τις απαιτήσεις σε θέρμανση (ή ψύξη). Ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα (PHR: Power to Heat Ratio) ορίζεται από το πηλίκο: W P H R Q ( k W h e ) ( k W h th ) Ανάλογα με την τιμή του PHR προσδιορίζεται το κατάλληλο σύστημα ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ από πίνακες. Ο PHR του Νοσοκομείου, σύμφωνα με τις καταγραφείσες καταναλώσεις, (παρ.3.2. Διάγραμμα 1) είναι ίσος με 0,674. Συνεπώς, επιλέγεται πακέτο με παλινδρομικό κινητήρα, ολικού βαθμού απόδοσης έως και 80%, όπως προκύπτει από πίνακες τεχνικών προδιαγραφών συστημάτων ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ. [11] Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε διαγράμματα ροής (Flow Chart) όπως αυτό του Σχήματος 4. Σε κάθε κόμβο του διαγράμματος εξετάζονται κριτήρια που αφορούν απαιτήσεις σε ηλεκτρική ή θερμική ισχύ, ώρες παρουσίας δεδομένου θερμικού φορτίου κ.α. Αφού εξασφαλιστεί ότι η εγκατάσταση μονάδας συμπαραγωγής συνιστάται για δεδομένη εφαρμογή, ανάλογα με τις απαιτήσεις ισχύος, προτείνονται κατάλληλοι τύποι συστημάτων. Για την επιλογή του κατάλληλου συστήματος ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν οι ετήσιες ώρες λειτουργίας του. Εξαιτίας των χαμηλότερων τιμών αγοράς ηλεκτρισμού από τη ΔΕΗ κατά τη διάρκεια της νύχτας, η εγκατάσταση δεν συμφέρει να δουλεύει για 5 ώρες κατά τη διάρκεια της νύχτας 10 (12.00 π.μ π.μ.). Συνεπώς, το προς εγκατάσταση σύστημα θα λειτουργεί 19 ώρες στο εικοσιτετράωρο ή περίπου ώρες/έτος, και επομένως προκύπτει ένα μέσο ετήσιο ηλεκτρικό φορτίο 1.496,58 kwhe/έτος (W/7.000). Το μέσο ετήσιο θερμικό φορτίο αντιστοιχεί σε kwhth/έτος (Q/7.000). Με βάση αυτό το θεωρητικό φορτίο επιλέγεται τέτοιο σύστημα συμπαραγωγής ώστε να καλύπτει πρωτίστως τις θερμικές ανάγκες του Νοσοκομείου. 11 Ακολουθώντας και τη δεύτερη μέθοδο επιλογής συστήματος ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ. Σύμφωνα με το Διάγραμμα ροής θα καταλήξουμε πάλι στην επιλογή μονάδας με παλινδρομική μηχανή και παράλληλη ανάκτηση θερμότητας. [7][8]

12 28 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Η διαδικασία διαστασιολόγησης του συστήματος συμπαραγωγής είναι διερευνητική και κρίνεται από το ποια φορτία θα καλύπτει και από το πόσες ώρες θα λειτουργεί κατά τη διάρκεια του έτους. Για τους παραπάνω λόγους θα εξεταστούν δύο σενάρια, τα οποία αναλύονται στη συνέχεια. Κατά τη μελέτη των υποψήφιων συστημάτων είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί εάν η παραγόμενη θερμική ενέργεια υπερβαίνει τις ανάγκες του Π.Γ.Νοσοκομείου. Σχήμα 4. Διάγραμμα ροής για την επιλογή μονάδας ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ 3.4 Διαστασιολόγηση μονάδας Συμπαραγωγής Βασιζόμενοι στη μέση υπολογισθείσα θερμική ισχύ, αναζητούνται από την Cogenco Ltd, προμηθευτή του εξοπλισμού ΣΗΘΥΑ στο Νοσοκομείο, δύο αεριομηχανές κατάλληλης εγκατεστημένης ισχύος ώστε να καλύπτουν πλήρως τις θερμικές ανάγκες του Π.Γ.Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης, ακόμα και εάν αυτές λειτουργούν σε μερικό φορτίο, με την παραδοχή ότι η μία θα καλύπτει τη βάση της θερμικής ισχύος και η άλλη θα λειτουργεί

13 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος εφεδρικά στις περιπτώσεις εμφάνισης αιχμών ισχύος. 12 Σημειώνεται ότι από τους κατασκευαστές αεριομηχανών διατίθενται στοιχεία απόδοσης μόνο για το 100% και το 75% της ονομαστικής ισχύος αυτών. Επιπλέον, μεταξύ ενός συστήματος πανομοιότυπων μηχανών και ενός συστήματος με μηχανές διαφορετικών χαρακτηριστικών ισχύος, πιο αποδοτικό, αξιόπιστο και ευέλικτο χαρακτηρίζεται αυτό του ζεύγους των όμοιων μηχανών. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται κυρίως το κόστος συντήρησης αλλά επιλύονται και πρακτικά προβλήματα (όμοια ανταλλακτικά, ίδια αντιμετώπιση κ.α.). Με αξιολόγηση του Διαγράμματος 3 (α,β,γ), 13 που δίνει την ετήσια καμπύλη θερμικού φορτίου, πραγματοποιείται η διαστασιολόγηση δύο όμοιων μονάδων κύριας και εφεδρικής, ισχύος 1750 kwe η κάθε μία στο 100% της ισχύος τους. Η γεννήτρια που θεωρείται ως βασική της μονάδας συμπαραγωγής λειτουργεί στις 6000 ή 7000 ώρες το έτος, ενώ η αντίστοιχη γεννήτρια που θεωρείται ως εφεδρική για την κάλυψη θερμικών φορτίων σε περιόδους αιχμής, κυρίως τους χειμερινούς μήνες λειτουργεί στις 2000 ή 3000 ώρες το έτος. Η ηλεκτρική και θερμική ενέργεια που παράγεται από το σύστημα συμπαραγωγής και το κόστος λειτουργίας της μονάδας εξαρτώνται από τις ώρες λειτουργίας της στο έτος καθώς και από τον τρόπο που κατανέμονται οι ώρες λειτουργίας στη διάρκεια του έτους ανά μήνα. Καθώς οι πιθανοί συνδυασμοί της κατανομής των ωρών λειτουργίας στη διάρκεια ενός έτους δεν μπορούν να εξαντληθούν στο πλαίσιο της μελέτης, η κατανομή των 2000 καθώς και των 3000 ωρών ανά έτος έγινε με αναγωγή ως προς το αθροιστικό έλλειμμα της θερμικής ενέργειας των μηνών κυρίως Δεκεμβρίου, Ιανουαρίου και Μαρτίου, όπου και παρατηρούνται τα μεγαλύτερα θερμικά φορτία. Πιο συγκεκριμένα, για λειτουργία της κύριας μονάδας στις 6000 ώρες το έτος (500 ώρες ανά μήνα) και στις 7000 ώρες το έτος (583,33 ώρες ανά μήνα), υπολογίζεται η παραγόμενη θερμική ενέργεια. Έπειτα, υπολογίζεται η μηνιαία ενεργειακή διαφορά (πλεόνασμα ή έλλειμμα) σε σχέση με την απαιτούμενη για τις ανάγκες του Νοσοκομείου και στην περίπτωση που υπολογιστεί έλλειμμα, τότε αρχίζει η κατανομή των ωρών λειτουργίας της εφεδρικής μονάδας, είτε στις 2000 είτε στις 3000 ώρες ανά έτος ανάλογα με το ποσοστό του ελλείμματος που παρατηρείται στον κάθε μήνα, χωρίς όμως να ξεπερνά τις 20 ώρες ημερησίως δηλαδή

14 30 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ τις 600 ώρες μηνιαίως. Οι υπόλοιπες ώρες μοιράζονται εξίσου και στους καλοκαιρινούς μήνες όπου θα υπάρχει πλεόνασμα θερμικής ενέργειας. 14 Διάγραμμα 3: Διαστασιολόγηση μονάδας ΣΗΘ-μέσω καμπύλης φορτίου για α: 4000 ώρες λειτουργίας ανά έτος (6000 η κύρια και 2000 η εφεδρική) β: 4500 ώρες λειτουργίας ανά έτος (6000 η κύρια και 3000 η εφεδρική) γ: 5000 ώρες λειτουργίας ανά έτος (7000 η κύρια και 3000 η εφεδρική) Σύμφωνα με την πιο πάνω ανάλυση, τα σενάρια που εξετάζονται διαμορφώνονται ως εξής: Σενάριο Α: Μονάδα ΣΗΘΥΑ δύο αεριομηχανών Cogenco στα 50Hz με εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ 1750 kwe εκάστη (2*1750 kwe=3500 kwe) στο 100% της ονομαστικής τους ισχύος.

15 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Θερμική ισχύς 1737 kwth, ισχύς εισόδου (καυσίμου) 4611 kw Βαθμός απόδοσης: ηλεκτρικός 38%, θερμικός 37,7%, συνολικός 75,7% Σενάριο Β: Μονάδα ΣΗΘΥΑ δύο αεριομηχανών Cogenco στα 50Hz με εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ 2000 kwe (2*2000 kwe=4000 kwe) στο 75% της ονομαστικής τους ισχύος, παρέχοντας με αυτό τον τρόπο τη δυνατότητα κάλυψης και μελλοντικών φορτίων. Ηλεκτρική ισχύς 2000 x 0,75 = 1500 kwe Θερμική ισχύς 2248 x 0,75 = 1686 kwth, ισχύς εισόδου (καυσίμου) 4900 kw x 0,75 = 3675 kw Βαθμός απόδοσης: ηλεκτρικός 40,8%, θερμικός 45,9%, συνολικός 86,7% Για τα δύο πιο πάνω Σενάρια εξετάζονται οι τρεις διαφορετικές περιπτώσεις ωρών λειτουργίας των δύο αεριομηχανών (κύρια και εφεδρική): ü η περίπτωση (4000 ώρες λειτουργίας/έτος): όπου η κύρια αεριομηχανή έχει 6000 ώρες λειτουργίας και η εφεδρική αεριομηχανή έχει 2000 ώρες λειτουργίας. ü 2η περίπτωση (4500 ώρες λειτουργίας/έτος): ζεύγος αεριομηχανών στις 6000 και 3000 ώρες λειτουργίας αντίστοιχα. ü 3η περίπτωση (5000 ώρες λειτουργίας/έτος): ζεύγος αεριομηχανών στις 7000 και 3000 ώρες λειτουργίας αντίστοιχα. Για κάθε ένα από τα παραπάνω Σενάρια και τις αντίστοιχες περιπτώσεις ωρών λειτουργίας ανά έτος, υπολογίζεται αναλυτικά η παραγόμενη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια και συγκρίνεται για κάθε μήνα με την απαιτούμενη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια κάλυψης των φορτίων του Νοσοκομείου. Έτσι, υπολογίζεται για κάθε μήνα το πλεόνασμα ή το έλλειμμα σε ενέργεια, σύμφωνα με τις ενεργειακές απαιτήσεις του Π.Γ.Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης, που θεωρούνται ίσες με τις μέσες ενεργειακές καταναλώσεις των ετών Ακολουθεί, ενδεικτικά, ο Πίνακας 1(α,β) όπου παρουσιάζονται τα υπολογιστικά στοιχεία της παραγόμενης θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας της μονάδας ΣΗΘ για ένα Σενάριο και συγκεκριμένα για το Σενάριο Β-2.

16 32 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 1.α: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα θερμικού φορτίου 2ης περίπτωσης Σεναρίου Β B-2 (MWhth) (MWhth) (-) / (+) (MWhth) MWth MWth ( Whth) (MWhth) ,91 595, ,24 500,00 843, ,24-843, ,81 563,01 949,22 500,00 843, ,22-782, ,52 197,75 333,41 500,00 843, ,41-99, ,04 362,08 610,44 500,00 843, ,44-406, ,23 200,20 337,54 500,00 843, ,54-103, ,53 149,08 251,35 500,00 843, ,35 332, ,07 149,08 251,35 500,00 843, ,35 563, ,07 137,18 231,29 500,00 843, ,29 14, ,60 149,08 251,35 500,00 843, ,35 726, ,87 141,63 238,78 500,00 843, ,78 5, ,20 149,08 251,35 500,00 843, ,35 338, ,51 206,18 347,62 500,00 843, ,62-114, , , , , , ,94-369,42 Στην περίπτωση των 4500 ωρών λειτουργίας ανά έτος (6000&3000) δεν σημειώνονται μεγάλα ποσά πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας και παράλληλα, το θερμικό φορτίο καλύπτεται επαρκώς (οριακά) στην περίπτωση του Σεναρίου Α, και σε ποσοστό που αγγίζει το 98% κατά το Σενάριο Β. Η περίσσεια θερμικής ενέργειας που παρατηρείται κυρίως τους θερινούς μήνες μπορεί να μετατραπεί σε ψύξη με σύστημα τριπαραγωγής, ενώ το έλλειμμα θερμικής ενέργειας θα καλύπτεται με εφεδρικούς λέβητες φυσικού αερίου. Η περίπτωση των 5000 ωρών λειτουργίας ανά έτος (7000&3000) εξετάζεται ενδεικτικά στην περίπτωση του Σεναρίου Α και κρίνεται οτι δεν είναι αποδοτική λόγω του μεγάλου πλεονάσματος ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται και δεν μπορεί να διατεθεί. Στην περίπτωση του Σεναρίου Β, επειδή η μονάδα λειτουργεί σε μερικό φορτίο, το ποσοστό πλεονάσματος ηλεκτρικής ενέργειας εμφανίζεται κοντά στο επιτρεπτό όριο του 20% για διάθεση στο δίκτυο της ΔΕΗ.

17 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Πίνακας 1.β: Συγκεντρωτικά αποτελέσματα ηλεκτρικού φορτίου 2ης περίπτωσης Σεναρίου Β B-2 (-) / (MWhe) (MWhe) (+) (MWhe) MWe MWe ( Whe) (MWhe) ,00 595,65 893,45 500,00 750, ,45 917, ,00 563,01 844,49 500,00 750, ,49 718, ,00 197,75 296,62 500,00 750, ,62 224, ,00 362,08 543,10 500,00 750, ,10 567, ,00 200,20 300,29 500,00 750, ,29 240, ,00 149,08 223,62 500,00 750,00 973,62 871, ,00 149,08 223,62 500,00 750,00 973,62 187, ,00 137,18 205,77 500,00 750,00 955,77-274, ,00 149,08 223,62 500,00 750,00 973,62-424, ,00 141,63 212,43 500,00 750,00 962,43-249, ,00 149,08 223,62 500,00 750,00 973,62-58, ,00 206,18 309,27 500,00 750, ,27 303, , , , , , , ,90 Για τον υπολογισμό του κόστους κάλυψης των ενεργειακών αναγκών του ΠΓΝΑ με βάση τη συμβατική λύση, χρησιμοποιήθηκαν οι τρέχουσες τιμές τιμολογίου Β1 της ΔΕΗ, ενώ η τιμή ανά λίτρο diesel (1,209 /lt) λαμβάνοντας υπόψη τις τρέχουσες τιμές του μήνα Απριλίου Το συνολικό ενεργειακό κόστος λειτουργίας ενός συστήματος συμπαραγωγής αποτελείται από τις εξής επιμέρους δαπάνες : ü Κόστος αγοράς φυσικού αερίου για τη μονάδα συμπαραγωγής. ü Κόστος αγοράς φυσικού αερίου για τους λέβητες (τους μήνες με έλλειμμα θερμικής ενέργειας). ü Κόστος αγοράς πρόσθετης ηλεκτρικής ενέργειας (τους μήνες με έλλειμμα ηλεκτρικής ενέργειας). ü Κόστος συντήρησης. Αν από τα έξοδα αυτά, αφαιρεθούν τα έσοδα από την πώληση της περίσσειας της ηλεκτρικής ενέργειας στη ΔΕΗ, σε ποσοστό που δεν ξεπερνά το 20% της συνολικά παραγόμενης, προκύπτει το τελικό ενεργειακό κόστος λειτουργίας της μονάδας που δίνεται στον Πίνακα 2.

18 34 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας 2: Ενεργειακό κόστος λειτουργίας Σεναρίου Β2. ( -2 ) & (kwhth) ,56 (kwhth) ,34 (kwhth) ,47 (kwhe) ,00 (kwhe) ,80 (kwhe) ,80 (kwh) ,00 () ,00 () ,86 () ,02 () ,00 () ,09 () ,79 Τέλος, παρουσιάζεται στον Πίνακα 3 ο υπολογισμός του συνολικού κόστους εγκατάστασης της μονάδας για το συγκεκριμένο Σενάριο Β-2. Πίνακας 3: Συνολικό κόστος επένδυσης συστήματος ΣΗΘΥΑ Σεναρίου Β2 ( -2 ) () () () () () () () Αξιολόγηση επενδυτικών Σεναρίων Κατόπιν καταγραφής και υπολογισμού των απαιτούμενων στοιχείων ενέργειας, αξιολογούνται τα επενδυτικά Σενάρια εγκατάστασης συστήματος ΣΗΘ με καύσιμο φυσικό αέριο για την κάλυψη των αναγκών σε ενέργεια του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Αλεξανδρούπολης, με ταυτόχρονη εξοικονόμησης ενέργειας. Η εγκατάσταση των μονάδων ΣΗΘ δύο αεριομηχανών περιλαμβάνει και την αντικατάσταση του ήδη υπάρχοντος συμβατικού εξοπλισμού παραγωγής ενέργειας. Τα επενδυτικά Σενάρια όπως διαμορφώνονται και περιγράφονται στην ενότητα 3.4., αξιολογούνται και συγκρίνονται με την παρούσα κατάσταση (συμβατική λύση), βάση τεσσάρων οικονομικών κριτηρίων αξιολόγησης επενδύσεων, Καθαρής Παρούσας Αξίας (NPV),

19 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Λόγου Οφέλους-Κόστους (BCR), Εσωτερικού Συντελεστή Απόδοσης (IRR) και Περιόδου Αποπληρωμής σε έτη (SPB). Με μια επιδότηση της τάξης του 40%, ευκαιριακό κόστος d=5% και περίοδο αξιολόγησης Ν=20 έτη, τα συνολικά κόστη των σεναρίων και η τελική ετήσια εξοικονόμηση ενεργειακού κόστους διαμορφώνονται κατάλληλα όπως δίνονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 4. Η μελέτη δεν περιλαμβάνει περίπτωση δανεισμού και οι τιμές του διαμορφώθηκαν με βάση τις οικονομικές παραμέτρους περί αξιολόγησης επενδύσεων. Πίνακας 4: Μελέτη βιωσιμότητας σεναρίων () () (K) () ( Ft) (NPV) - (BCR) (IRR) ( ) (SPB) ,2 1,7 2,5 2,4 2,3 6 % 13 % 18 % 22 % 16 % 10,7 7,4 5,1 5,2 5,4 Από την αξιολόγηση των σεναρίων, προκύπτει ότι όλα χαρακτηρίζονται βιώσιμα γιατί ικανοποιούν τα κριτήρια αξιολόγησης επενδύσεων και η Καθαρή Παρούσα Αξία NPV των χρηματοροών τους (Ft) είναι θετική. Επιπρόσθετα, μια επιλογή αεριομηχανής με περίσσεια ισχύος παρέχει ευελιξία και δυνατότητα κάλυψης μελλοντικών φορτίων σε περιόδους αυξημένης ζήτησης ισχύος. Συνεπώς, χαρακτηρίζονται πιο ελκυστικά τα σενάρια της Β περίπτωσης και πιο συγκεκριμένα η περίπτωση του Σεναρίου Β2 για λειτουργία ωρών ετησίως. Γενικά η λειτουργία μονάδας συμπαραγωγής με λιγότερες ώρες ετησίως, κρίνεται μη αποδοτική γιατί δεν θα καλύπτει τις ενεργειακές απαιτήσεις, ενώ η λειτουργία της με περισσότερες ώρες κρίνεται αντιοικονομική γιατί η περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας δεν μπορεί να διοχετευθεί στο σύστημα.

20 36 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Η περίοδος αποπληρωμής (SPB) είναι σημαντικά μικρή και παρατηρείται ότι αμέσως μετά το 6ο έτος γίνεται η αποπληρωμή της αρχικής δαπάνης για την εγκατάσταση της μονάδας Σ.Η.Θ. του Σεναρίου Β2. Το οικονομικό όφελος που προκύπτει για το Π.Γ.Νοσοκομείο ανέρχεται στα ,71 στο τέλος του 7ου έτους και μέχρι το 20ο έτος εξοικονομεί με ένα εσωτερικό συντελεστή απόδοσης (IRR) 22%. Πίνακας 5: Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας 1 : 4000 / 2 : 4500 / 3 : 5000 / ( ) ( Wh) ( Wh) ( Wh) 4.317, , , , , , , , , , , ,92 Η συνολική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας, που προκύπτει από την άθροιση της ενέργειας καυσίμου που αναλώνεται στους εφεδρικούς λέβητες και τη μονάδα συμπαραγωγής και της πρωτογενούς ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρισμού από τους κεντρικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, δίνεται στον Πίνακα 5, για τις τρεις περιπτώσεις του Σεναρίου Β από όπου προκύπτει μια μείωση κατά ΜWh για την περίπτωση Β2, σε σχέση με τις ΜWh της συμβατικής περίπτωσης, δηλαδή αντιστοιχεί σε μια μείωση ποσοστού 16%, γεγονός που δικαιολογεί τον χαρακτηρισμό της μονάδας ως Σ.Η.Θ.Υ.Α. Σχετικά με την εκπομπή ρύπων, παρατηρείται συνολική μείωση κατά 50%. Πιο συγκεκριμένα, οι ποσοστιαίες μειώσεις εκπεμπόμενων ρύπων παρουσιάζονται στο Διάγραμμα 4. Διάγραμμα 4: Ποσοστιαία μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων

21 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Συμπεράσματα Η Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας είναι μια εξαιρετικά αποδοτική μέθοδος για την κάλυψη των θερμικών και ηλεκτρικών αναγκών ιδίως των Νοσοκομείων που έχουν υψηλά φορτία όλο το έτος. Η οικονομική βιωσιμότητα εξαρτάται κυρίως από τη σωστή διαστασιολόγηση της μονάδας και τις ώρες λειτουργίας της, έτσι ώστε αφενός να καλύπτεται σημαντικό μέρος των ενεργειακών αναγκών και αφετέρου το πλεόνασμα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας να μην ξεπερνά το 20% της συνολικής. Από την αξιολόγηση των επενδυτικών σχεδίων που εξετάζονται για την περίπτωση του Π.Γ. Νοσοκομείου της Αλεξανδρούπολης προκύπτει ως πιο ελκυστικό το Σενάριο της εγκατάστασης δύο όμοιων αεριομηχανών 2.000kW (κύρια και εφεδρική) που θα λειτουργούν στο 75% της ονομαστικής τους ισχύος, παρέχοντας με αυτό τον τρόπο τη δυνατότητα κάλυψης και μελλοντικών φορτίων. Για λειτουργία του συστήματος στις ώρες ετησίως (6.000 ώρες η κύρια και ώρες αντίστοιχα η εφεδρική), προκύπτει μια κάλυψη του συνολικού θερμικού φορτίου κατά 98% και ένα σημαντικό οικονομικό όφελος που αντιστοιχεί σε εσωτερικό συντελεστή απόδοσης της επένδυσης (IRR) 22% και ιδιαίτερα μικρό χρόνο αποπληρωμής. Παράλληλα επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας κατά 16% και μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων κατά 50% σε σχέση με τη συμβατική λύση. Επιπλέον η δυνατότητα κάλυψης μέρους των ψυκτικών φορτίων τους καλοκαιρινούς μήνες με εγκατάσταση συστήματος τριπαραγωγής ή η δυνατότητα μελλοντικής αξιοποίησης της περίσσειας της θερμικής ενέργειας με ανάπτυξη της αγοράς θερμού ατμού, παρέχουν επιπλέον οφέλη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, ενώ υπάρχει η δυνατότητα χρηματοδότησης της επένδυσης μέσω προγραμμάτων ακόμα και στο 100%. 1: Για να επιτευχθεί η πλήρης αυτονομία δεν είναι πάντα εύκολο να αποφευχθούν φαινόμενα νησιδοποίησης, έλλειψης τάσης ιδιαίτερα έντονων διακυμάνσεων τάσης των γνωστών αναλαμπών (flickers) και έλεγχος της συχνότητας για σωστή ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας και ασφαλή λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών του συστήματος. Συνήθως, αυτό επιτυγχάνεται με αυξημένη εφεδρεία με παραλληλισμό πολλών

22 38 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ γεννητριών για αύξηση της ευρωστείας και της ευστάθειας του συστήματος, καθώς και πολύπλοκων ρυθμιστών σταθεροποιητών τάσης και συχνότητας σε περιπτώσεις απότομων μεταβολών. Ειδικά, για την περίπτωση των αερίων καυσίμων αυτό είναι πολύ δύσκολο έως αδύνατο να πραγματοποιηθεί, για λόγους που άπτονται καθαρά των δυνατοτήτων και των προδιαγραφών του εξοπλισμού. 2: Η επιλογή αυτή έχει να κάνει με την αναλογία θερμικών προς ηλεκτρικών φορτίων στον βιομηχανικό και εμπορικό τομέα, καθώς και με τον περιορισμό της διοχέτευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας προς πώληση στη Δ.Ε.Η. σε ποσοστό μικρότερο από το 20% της συνολικά παραγόμενης. Αν επιλεγεί, επομένως, σύστημα για την πλήρη κάλυψη των εγκατεστημένων ηλεκτρικών αναγκών πολύ πιθανό η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε ώρες μη αιχμής να ξεπερνά το όριο του 20% και να μην μπορεί να διοχετευθεί προς πώληση στο δίκτυο της Δ.Ε.Η., με αποτέλεσμα να καθιστά μια τέτοια επιλογή δαπανηρή και οικονομικά ασύμφορη. 3: Στα συστήματα «κορυφής», ρευστό υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού, ενώ η αποβαλλόμενη θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται σε θερμικές διεργασίες θέρμανση χώρων ή ακόμη και για παραγωγή πρόσθετης ηλεκτρικής ενέργειας. Στα συστήματα «βάσης», παράγεται πρώτα θερμική ενέργεια υψηλής θερμοκρασίας (όπως π.χ., σε φούρνους χαλυβουργείων, υαλουργείων, εργοστασίων τσιμέντου κλπ.) και κατόπιν τα θερμά αέρια διοχετεύονται συνήθως σε λέβητα ανακομιδής θερμότητας, όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστροβιλογεννήτρια. Είναι επίσης δυνατό τα θερμά αέρια να διοχετευθούν σε αεριοστρόβιλο, που κινεί την ηλεκτρογεννήτρια, χωρίς την παρεμβολή λέβητα.[2][8] 4: Τα τυποποιημένα πακέτα συμπαραγωγής, ηλεκτρικής ισχύος kW, βρίσκουν εφαρμογή, κυρίως, στον τριτογενή τομέα. Από σχετικές μελέτες έχει υπολογιστεί ότι η διαθεσιμότητα κυμαίνεται στο 79% με τυπική απόκλιση 22,9%.[2][4] Ένα πακέτο αποτελείται από: Τον κινητήρα, ο οποίος κινεί τη γεννήτρια.

23 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος Τη γεννήτρια, που παράγει την ηλεκτρική ενέργεια. Το σύστημα ανάκτησης θερμότητας από την απορριπτόμενη θερμότητα του νερού ψύξης της μηχανής και των καυσαερίων. Το σύστημα ελέγχου για ασφαλή και ικανοποιητική λειτουργία. Το σύστημα εξάτμισης για την εξαγωγή των προϊόντων καύσης. Τη θερμική και ηχητική μόνωση για να μειώνονται τα επίπεδα θορύβου και για να προφυλλάσεται από τις εξωτερικές καιρικές συνθήκες και τη φωτιά.[2][4] Οι τυποποιημένες μονάδες ονομάζονται και πακέτα, καθώς είναι «συσκευασμένες» από τους κατασκευαστές, έτοιμες να τοποθετηθούν πάνω σε βάση από σκυρόδεμα και να συνδεθούν στο σύστημα ηλεκτρισμού, καυσίμου και θέρμανσης (plug and play). Συνήθως, κάθε μονάδα είναι τοποθετημένη σε τυποποιημένο εμπορευματοκιβώτιο (container), κατάλληλα ηχομονωμένο, πλήρως αυτόνομη και περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα υποσυστήματα για τη λειτουργία της (εξοπλισμός ισχύος, βοηθητικός εξοπλισμός και ψυγεία). Οι τεχνικές που εφαρμόζονται στις τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής μικρής κλίμακας φαίνονται σχηματικά.[2][4] Οι μονάδες αυτές, συνήθως, έχουν κινητήρα Diesel. Σε ισχύεις μικρότερες των 100kW είναι δυνατή η χρήση κινητήρα Otto, ενώ σε ισχύεις μεγαλύτερες των 600kW είναι δυνατή η χρήση αεριοστροβίλου. Μπορούν να λειτουργούν με υγρό ή αέριο καύσιμο. Το φυσικό αέριο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο καύσιμο για τις μονάδες αυτές, χάρη στην καθαρότητα, την έλλειψη ανάγκης αποθήκευσης και τη χαμηλή του τιμή.[2][4]

24 40 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5: Στο σχήμα 2, παρουσιάζεται ένας αντιπροσωπευτικός τρόπος ενεργειακής κατανομής τόσο των θερμικών όσο και των ηλεκτρικών φορτίων κατανάλωσης σε ένα νοσοκομείο. Διημερίδα Κατανάλωση ενέργειας στα δημόσια νοσοκομεία, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Δ/ση Ενεργειακής πολιτικής και Σχεδιασμού, Αθήνα (Οκτώβριος 2004). 6: Καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών και αυξημένη αξιοπιστία: Τα νοσοκομεία οφείλουν να παρέχουν υπηρεσίες υψηλής ποιότητας και αυτό είναι συνυφασμένο με την αυξημένη αξιοπιστία που απαιτείται στο σύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμπαραγωγή στο διασυνδεδεμένο σύστημα και όχι στο αυτόνομο, όπως τονίστηκε, βελτιώνει την ποιότητα των υπηρεσιών, την ευστάθεια και την ευρωστία του συστήματος. Επίσης, αυξάνεται η αξιοπιστία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, είτε αντιμετωπίζοντας μια πιθανή ανάγκη αιχμής φορτίου (καθώς οι μονάδες συμπαραγωγής μπορούν να λειτουργούν παράλληλα με την εισαγωγή ηλεκτρισμού από το δίκτυο), είτε αντιμετωπίζοντας

25 ,.[2][4] ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος : 2 μια πιθανή διακοπή, καθώς η μονάδα συμπαραγωγής. μπορεί να λειτουργεί σε συνδυασμό με την εφεδρική, γεννήτρια για ( την κάλυψη 2004). αυξημένων,, / απαιτήσεων. 6: : 7: Αύξηση των επενδύσεων στον τομέα της υγείας: Τα χρήματα ποσά που δαπανώνται. για τον ηλεκτρισμό και τη θέρμανση είναι προκαθορισμένα. Δηλαδή, η παροχή ηλεκτρικής. και θερμικής ενέργειας είναι ίδια ανεξάρτητα από το αν ο θάλαμος είναι πλή-,,, ( ρης ή όχι. Η συμπαραγωγή μειώνει το κόστος παραγωγής ) ενέργειας, λόγω της μικρότερης κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας. Τα χρηματικά ποσά που εξοικονομούνται,. μπορούν να επενδυθούν για τη φροντίδα και την ποιότητα των υπηρεσιών που λαμβάνουν οι ασθενείς. Διημερίδα. Κατανάλωση ενέργειας, στα δημόσια νοσοκομεία, Κέντρο 7: :. Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Δ/ση Ενεργειακής πολιτικής και Σχεδιασμού,. Αθήνα. (Οκτώβριος 2004)..,, /,. ( 8: Μελλοντικά, 2004). μάλλον θα υπάρχει η δυνατότητα η θερμική ενέργεια να καλύπτεται κατά 8: μεγάλο μέρος με καύσιμο το Φυσικό Αέριο. Φυσικά, δεν γίνεται προς το παρόν λόγος. για άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών,. όπως η γεωθερμία ή τα φωτοβολταϊκά. 9: Ο λόγος PHR προκύπτει από τα στοιχεία των ενεργειακών καταναλώσεων που παρατίθενται πιο πάνω στην παράγραφο 3.2. Το απαιτούμενο θερμικό και ηλεκτρικό φορτίο ανέρχεται στις MWh και MWhe ετησίως, αντίστοιχα. Έτσι, 9: PHR MWh MWhe,., P H R W Q ( k W h e ) ( k W h th ) = / = 0,674. Στον ακόλουθο πίνακα δίνονται οι προδιαγραφές και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των : - [11] διάφορων συστημάτων ΣΗΘ ΣΗΘΥΑ, από όπου προκύπτει η τελική επιλογή του κατάλληλου συστήματος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.

26 42 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Πίνακας: Προδιαγραφές Συστημάτων ΣΗΘ-ΣΗΘΥΑ [11] Σύστημα Ηλεκτρική Ισχύς (MW) Μέση Ετήσια Διαθεσιμό-τητα (%) Ηλεκτρικός Βαθμός Απόδοσης (%) Ολικός Βαθμός Απόδοσης (%) PHR Πλήρες Φορτίο Φορτίο 50% Ατμοστρόβιλος Αεριοστρόβιλος ανοιχτού κύκλου Αεριοστρόβιλος κλειστού κύκλου Συνδυασμένου κύκλου αέριο / ατμοστρόβιλος Κινητήρας Diesel Πακέτο με παλινδρομικό κινητήρα Κυψέλες καυσίμου Μηχανές Stirling : Αποτελεί παραδοχή που δεν απέχει πολύ από την πραγματικότητα, λόγω του νυχτερινού τιμολογίου της ΔΕΗ. 11: Επιλέχθηκε σύστημα ΣΗΘ heat match, για τους λόγους που αναφέρονται στις παρατηρήσεις της παραπομπής 2. Επίσης, η πλήρης ενεργειακή αυτονομία του συστήματος δεν αποτελεί απαίτηση για τους λόγους που αναπτύσσονται στις παρατηρήσεις της παραπομπής 1. 12: Η επιλογή δύο όμοιων μηχανών για την κάλυψη του φορτίου έχει να κάνει με την καλύτερη λειτουργία των μηχανών από πλευράς φόρτισης και την κατανομή του φορτίου. Έτσι, μια μηχανή μεγάλης ισχύος για ένα μεγάλο διάστημα στον χρόνο ή θα εργάζεται με μειωμένο φορτίο (κάτω από το 50%) ή θα υπάρχει μεγάλο πλεόνασμα θερμικής ή ηλεκτρικής ενέργειας, που δεν θα είναι εκμεταλλεύσιμο (το πλεόνασμα της θερμικής ενέργειας δεν μπορεί να αποθηκευθεί ή να διοχετευθεί σε παραγωγή ατμού προς πώληση, ενώ το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας σε ποσοστό μεγαλύτερο από 20% δεν

27 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Ιούλιος - Αύγουστος μπορεί να πωληθεί στη ΔΕΗ). Η διαστασιολόγηση της ισχύος των γεννητριών γίνεται μέσω της καμπύλης φορτίου (Διάγραμμα 3), όπου φαίνεται η διάρκεια (ώρες ύπαρξης) του θερμικού φορτίου στο σύστημα. Έτσι, προκύπτει ότι αν επιλεγεί μια μεγάλη μηχανή (διπλάσιας ισχύος) αυτή δεν θα μπορεί να λειτουργεί πάνω από ώρες ετησίως στο πλήρες φορτίο γιατί θα προκύπτει πλεόνασμα θερμικής ενέργειας. Επιπλέον, οι δύο όμοιες μηχανές βελτιώνουν τη διαθεσιμότητα και την αξιοπιστία του συστήματος, λόγω αυξημένης εφεδρείας και δυνατότητας εναλλαγής μεταξύ τους, ενώ παράλληλα έχουν την ίδια αντιμετώπιση από πλευράς συντήρησης και ανταλλακτικών. Το κόστος αρχικής εγκατάστασης και λειτουργίας δεν αυξάνεται υπερβολικά πέραν της απαίτησης μεγαλύτερου χώρου εγκατάστασης. 13: Το διάγραμμα 3 (μπλέ καμπύλη) αποτελεί την αθροιστική καμπύλη διάρκειας φορτίου της θερμικής ενέργειας στο έτος (8.760 ώρες). Προκύπτει από το ετήσιο προφίλ του θερμικού φορτίου (Διάγραμμα 1), αλλά εκφρασμένο σε διάρκεια ωρών εμφάνισης του θερμικού φορτίου. Έτσι, για παράδειγμα, προκύπτει ότι η αιχμή του φορτίου είναι μικρότερη των kw, ενώ ισχύς μεγαλύτερη από 3.000kw εμφανίζεται περίπου για ώρες το έτος και ισχύς μεγαλύτερη από kw εμφανίζεται περίπου για ώρες το έτος. Φυσικά ισχύς μεγαλύτερη από kw εμφανίζεται για μεγαλύτερη χρονική διάρκεια στο έτος (πάνω από ώρες). Με βάση αυτό το διάγραμμα καμπύλης διάρκειας φορτίου (μπλέ καμπύλη), γίνεται η επιλογή της εγκατεστημένης ισχύος για την κάθε αεριομηχανή (πράσινη καμπύλη), έτσι ώστε η λειτουργία της κάθε μηχανής για τις συγκεκριμένες ώρες ετησίως αφενός να καλύπτει το θερμικό φορτίο, αλλά αφετέρου να μην προκαλεί υπερβολικό πλεόνασμα θερμικής ενέργειας στο σύστημα που παραμένει ανεκμετάλλευτο (κόκκινη καμπύλη). 14: Το πλεόνασμα της θερμικής ενέργειας (κόκκινη καμπύλη στο διάγραμμα 3 από τη διαστασιολόγηση των μηχανών) προκύπτει φυσικά στους καλοκαιρινούς μήνες, λόγω του σεναρίου λειτουργίας των μηχανών (κύριας και εφεδρικής) για συγκεκριμένο αριθμό ωρών το έτος. Η επιπλέον θερμική ενέργεια, που παράγεται τους καλοκαιρινούς μήνες, χάνεται λόγω μη αξιοποίησής της σε σύστημα τριπαραγωγής για ψύξη

28 44 Ιούλιος - Αύγουστος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ χώρων ή παραγωγή ατμού προς πώληση, λόγω μη ύπαρξης ανεπτυγμένης αγοράς ατμού. Η ηλεκτρική ενέργεια, όμως, που παράγεται τους καλοκαιρινούς μήνες είναι λίαν αξιοποιήσιμη για ίδια κατανάλωση και μάλιστα υπάρχει και πρόσθετο έλλειμμα που οφείλει και καλυφθεί με αγορά ηλεκτρικής ενέργειας από τη ΔΕΗ. 6. Βιβλιογραφία 1 Θεοφύλακτος, Κ. (Νοέμβριος 2004) Η μικρή συμπαραγωγή στον τριτογενή τομέα στην Ελλάδα-Ο ρόλος του φυσικού αερίου, στην Διημερίδα με θέμα Διείσδυση του φυσικού αερίου στην αγορά ενέργειας. Τεχνικά προβλήματα, προοπτικές, ασφάλεια, Αθήνα. 2 Φραγκόπουλος, X., Καρυδογιάννης, H., Καραλής, K. (Μέλη Ε.Σ.Σ.Η.Θ.), (1994). Συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού, Ελληνικό Κέντρο Παραγωγικότητας: Αθήνα. 3 Ευθυμιάδης, Απ.Κουλουμούνδρας, Σπ. (2008). Ενεργειακός σχεδιασμός μονάδων Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης, ΔΕΛΤΙΟ Πανελλήνιου Συλλόγου Διπλωματούχων Μηχανολόγων Ηλεκτρολόγων. Τεχνική Επιθεώρηση, 405ο, Αθήνα. 4 EDUCOGEN (2001). A guide to cogeneration, Funded by the SAVE Programme. March. 5 Γαλανάκης, Δ., Σκαρπέτης, Γ. (2005). Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας: επενδυτική πρόκληση ή ανάγκη; Ελληνικό Παράρτημα ASHRAE, Αθήνα. 6 Μουρελάτος, Α., Κανελόπουλος, Π. (1997). Φυσικό Αέριο και Συμπαραγωγή: Επιπτώσεις στην ενέργεια, το περιβάλλον και την οικονομία, Τεχνική Επιθεώρηση, Τεύχος 60, Αθήνα. 7 Maxi Brochure 05. Saving energy with Energy efficiency in hospitals. Caddet, Centre for the analysis and dissemination of demonstrated energy technologies